第6章--线粒体和叶绿体

第6章线粒体和叶绿体讲授内容：线粒体与氧化磷酸化叶绿体与光合作用线粒体和叶绿体的半自主性及其起源第一节线粒体与氧化磷酸化一、线粒体的基本形态及动态特征（一）线粒体的形态、分布及数目呈颗粒或短线状，直径为0.3～1.0μm，长度为1.5～3.0μm；分布与细胞内的能量需求密切相关；线粒体的数目同样呈现动态变化并接受调控与细胞类型相关，随着细胞分化而变化。（二）线粒体的融合与分裂动、植物细胞中均可观察到频繁的线粒体融合与分裂现象，这被认为是线粒体形态调控的基本方式，也是线粒体数目调控的基础。1．线粒体融合与分裂的分子生物学基础果蝇调控线粒体融合基因Fzo线粒体融合素（mitofusin）（三）线粒体融合与分裂的分子及细胞生物学基础线粒体分裂需要发动蛋白（dynamin）Ø线粒体分裂环（mitochondrialdivisionring）；Ø线粒体分裂过程的三个阶段：早期中期后期2.线粒体融合与分裂的细胞生物学基础二、线粒体的超微结构包括外膜、膜间隙、内膜、基质（一）外膜Ø单位膜结构，厚约6nm。外膜中蛋白质和脂质约各占50%Ø孔蛋白（porin）构成的桶状通道，直径为2～3nm，可以通过相对分子质量高达5×103的分子，可根据细胞的状态可逆性地开闭。ATP、NAD、辅酶A等相对分子质量小于1×103的物质均可自由通过外膜。Ø由于外膜的通透性很高，膜间隙中的离子环境几乎与胞质相同。Ø外膜上还分布有一些特殊的酶类，如参与肾上腺素氧化、色氨酸降解、脂肪酸链延长的酶等，表明外膜不仅参与膜磷脂的合成，还可对将在线粒体基质中彻底氧化的物质进行先行初步分解。Ø外膜的标志酶是单胺氧化酶（monoamineoxidase）。（二）内膜Ø单位膜结构，厚6～8nm。Ø内膜的不透性（impermeability）----有很高的蛋白质/脂质比（质量比≥3∶1），缺乏胆固醇，富含心磷脂。从而限制了所有分子和离子的自由通过；Ø线粒体内膜是氧化磷酸化的关键场所，内膜向内延伸形成嵴，大大增加了内膜的表面积。其形状、数量和排列与细胞种类及生理状况密切相关；Ø嵴上存在许多规则排列的颗粒，称为线粒体基粒（elementaryparticle），即ATP合酶（ATPsynthase）Ø内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。（三）膜间隙Ø宽约6～8nm。Ø膜间隙内的液态介质含有可溶性的酶、底物和辅助因子。Ø腺苷酸激酶是膜间隙的标志酶，可催化ATP分子末端磷酸基团转移到AMP生成ADP。（四）线粒体基质Ø富含可溶性蛋白质的胶状物质，具有特定的pH和渗透压。Ø催化线粒体重要生化反应，如三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等Ø还含有DNA、RNA、核糖体以及转录、翻译所必需的重要分子。三、氧化磷酸化（一）ATP合酶ØATP合酶的分子由球形的头部（F1）和基部（F0）组成，头部朝向线粒体基质，规则性地排布在内膜下并以基部与内膜相连。ATP合酶的头部被称为偶联因子1（couplingfactor1，F1），由5种类型的9个亚基组成，组分为α3β3γεδ。在空间上，3个α亚基和3个β亚基交替排列，形成一个“橘瓣”状结构,其中α和β亚基具有核苷酸结合位点，但只有β亚基的结合位点具有催化ATP合成或水解的活性。F1的功能是催化ATP合成，在缺乏质子梯度情况下则呈现水解ATP的活性。γ亚基的一个结构域构成穿过F1的中央轴，另一结构域与3个β亚基中的一个结合。ε亚基协助γ亚基附着到ATP合酶的基部结构F0上。γ与ε亚基具有很强的亲和力，结合形成“转子”(rotor），旋转于α3β3的中央，调节3个β亚基催化位点的开放和关闭。δ亚基为F1和F0相连接所必需的。ATP合酶的基部结构被称作F0，是偶联因子0（couplingfactor0）的简称。与亲水性的F1相比，F0是一个疏水性的蛋白复合体，嵌合于线粒体内膜，由a、b、c3种亚基按照ab2c10～12的比例组成跨膜的质子通道。多拷贝的c亚基形成一个环状结构。a亚基和b亚基形成的二聚体排列在c亚基12聚体形成的环的外侧。同时，a亚基、b亚基及F1的δ亚基共同组成“定子”（stator），也称外周柄。①质子梯度的作用并不是生成ATP，而是使ATP从酶分子上解脱下来。②ATP合酶上的3个β的构象不同,在任一时刻，3个β催化亚基以3种不同的构象存在，从而使它们对核苷酸具有不同的亲和性;③ATP通过旋转催化（rotationalcatalysis）而生成。•在此过程中，通过F0“通道”的质子流引起c亚基环和附着于其上的γ亚基纵轴（中央轴）在α3β3的中央进行旋转。•旋转的动力来自于F0质子通道中的质子跨膜运动。（二）质子驱动力Ø基质中的质子则借助高能电子释放的能量被不断地定向转运到膜间隙。（三）电子传递链Ø由电子载体组成的电子传递序列被称为电子传递链（electrontransportchain），也称作呼吸链（respiratorychain）。羧酸循环基质膜间隙丙酮酸ATP合成器ATP形成机制—氧化磷酸化（四）电子传递复合物1.复合物Ⅰ即NADH-CoQ还原酶，又称NADH脱氢酶。2.复合物Ⅱ即琥珀酸-CoQ还原酶，又称琥珀酸脱氢酶。3.复合物Ⅲ复合物Ⅲ即CoQ-Cytc还原酶，又称细胞色素还原酶或Cytbc1复合物（简称bc1）。4.复合物Ⅳ即细胞色素氧化酶，又称Cytc氧化酶。四、线粒体与疾病Ø在医学上，由线粒体功能障碍引起的疾病被称为线粒体病（mitochondrialdisease）。Ø已知的人类线粒体病有100多种，常见的有脑坏死、心肌病、肿瘤、不育、帕金森综合征等。克山病；Leigh综合征；氧自由基的过度积累；农业生产中广为利用的细胞质雄性不育。第二节叶绿体与光合作用（一）叶绿体的形态、分布及数目在高等植物的叶肉细胞中，叶绿体呈凸透镜或铁饼状，直径为5～10μm，厚2～4μm。分布在细胞质膜与液泡间薄层的细胞质中，呈平层排列。通常情况下，高等植物的叶肉细胞含20～200个叶绿体。一、叶绿体的基本形态及动态特征叶绿体通过位移避开强光的行为称为躲避响应（avoidanceresponse）；在光照较弱的情况下，叶绿体会汇集到细胞的受光面，这种行为称作积聚响应（accumulationresponse）。（二）叶绿体的分化和去分化Ø叶绿体是原质体的一种分化方式；Ø叶绿体的分化表现为形态上和在生化与分子生物学上；Ø在特定情况下，叶绿体的分化是可逆的，叶绿体可去分化再次形成原质体。（三）叶绿体的分裂Ø质体和叶绿体通过分裂而实现增殖。Ø叶绿体的分裂与线粒体分裂具有相同的细胞动力学机制。ARC5蛋白在叶绿体表面开始缢陷时组装成环状结构，出现于缢陷处，推动叶绿体膜深度缢陷及分断。二、叶绿体的超微结构拟南芥幼叶中的叶绿体水稻幼芒的叶绿体（一）叶绿体膜Ø外膜、内膜和膜间隙构成；Ø外膜通透性大，含有孔蛋白，允许相对分子质量高达104的分子通过；而内膜则通透性较低，仅允许O2、CO2和H2O分子自由通过。Ø叶绿体内膜上有很多转运蛋白，选择性转运较大分子。（二）类囊体Ø叶绿体内部由内膜衍生而来的封闭的扁平膜囊，称类囊体。类囊体囊内的空间称为类囊体腔（thylakoidumen）；Ø在叶绿体中，许多圆饼状的类囊体有序叠置成基粒（grana）。Ø基粒膜囊系统独立于基质，在电化学梯度的建立和ATP的合成中起重要作用。Ø囊体膜富含具有半乳糖的糖脂和极少的磷脂。糖脂中的脂肪酸若是不饱和的亚麻酸脂双分子层流动性非常大，有益于光合作用过程中类囊体膜上的PSⅡ、Cytb6f复合物、PSⅠ及CF0-CF1ATP合酶复合物在膜上的侧向移动。（三）叶绿体基质Ø叶绿体内膜与类囊体之间的液态胶体物质，称为叶绿体基质。基质的主要成分是可溶性蛋白质和其他代谢活跃物质，其中丰度最高的蛋白质为核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(ribulose-1,5-biphosphatecarboxylase/oxygenase，简称Rubisco)。ØRubisco是光合作用中的一个重要的酶系统，亦是自然界含量最丰富的蛋白质。Ø基质中还存在叶绿体DNA、核糖体、脂滴、植物铁蛋白和淀粉粒等物质。三、光合作用（一）原初反应1.光合色素2.光化学反应Ø光化学反应是指反应中心色素分子吸收光能而引发的氧化还原反应。（二）电子传递和光合磷酸化1.电子传递Ø光合电子传递链（photosyntheticelectrontransferchain）由一系列的电子载体构成。（1）PSII的结构与功能ØPSⅡ由反应中心复合物和PSⅡ捕光复合物（LHCⅡ）组成。其功能是利用光能在类囊体膜腔面一侧裂解水并在基质侧还原质体醌，使类囊体膜的两侧形成质子梯度。（2）Cytb6f复合物的结构与功能ØCytb6f复合物含有一个Cytb6、一个Fe-S和一个Cytf(c型细胞色素)，在电子传递过程中，Cytb6f复合物在PSⅡ和PSⅠ之间承担重要的联系；ØCytb6f复合物将电子从双电子载体PQB转运到单电子载体PC，形成一个Q循环。在这个循环中，电子从PQBH2一次一个地传递到PC，引起H+的跨膜转移。（3）PSI的结构与功能ØPSⅠ由反应中心复合物和PSⅠ捕光复合物（LHCⅠ）组成，其功能是利用吸收的光能或传递来的激发能在类囊体膜的基质侧将NADP+还原为NADPH。2.光合磷酸化（1）CF0-CF1ATP合酶（2）光合磷酸化的类型（3）光合磷酸化的作用机制（4）ATP合成机制叶绿体类囊体膜中进行的电子传递和H＋跨膜转移（三）光合碳同化1．卡尔文循环（1）羧化阶段（2）还原阶段（3）RuBP再生阶段2.C4途径Ø存在于一些热带或亚热带起源的植物(C4植物)中，如甘蔗、玉米、高粱等。Ø该途径固定CO2的最初产物为草酰乙酸(四碳化合物)，因而被称为C4途径3．景天酸代谢(crassulaceanacidmetabolism，CAM)Ø发现于生长在干旱地区的景天科及其他一些肉质植物。Ø初级固碳产物是苹果酸。第三节线粒体和叶绿体的半自主性及其起源一、线粒体和叶绿体的半自主性（一）线粒体和叶绿体DNAØ绝大多数真核细胞的线粒体DNA(mitochondrialNA，mtDNA)呈双链环状；线粒体需要通过频繁的融合与分裂共享细胞内的遗传信息；被子植物的mtDNA呈现出丰富的分子多态性。Ø叶绿体DNA（cpDNA）或称质体DNA（ptDNA）亦呈环状，分子大小依物种的不同呈现较大差异，在200～2500kb之间；ØmtDNA和cpDNA均以半保留方式进行复制。其复制受细胞核的控制。复制所需的DNA聚合酶、解旋酶等均由核基因组编码。（二）线粒体和叶绿体中的蛋白质Ø线粒体和叶绿体基因组编码的蛋白质在线粒体和叶绿体的生命活动中是重要和不可缺少的；Ø这些蛋白质还远远不足以支撑线粒体和叶绿体的基本功能。（三）线粒体、叶绿体基因组与细胞核的关系Ø线粒体和叶绿体的生命活动受到细胞核以及它们自身基因组的双重调控；Ø细胞核与线粒体、叶绿体之间在遗传信息和基因表达调控等层次上建立的分子协作机制被称为核质互作不同真核生物线粒体基因组（DNA）大小及其表达产物二、线粒体和叶绿体的起源（一）基因组与细菌基因组具有明显的相似性（二）具备独立、完整的蛋白质合成系统（三）分裂方式与细菌相似（四）膜的特性（五）其他佐证原始厌氧原核细胞吞食需氧菌细胞膜多重内褶原核复合生物内褶形成内质网、核膜等（共生关系）被吞食的原核生物演变为细胞器真核植物细菌线粒体真核动物真核细胞真菌蓝藻叶绿体某些原生生物内共生学说思考题一、基本概念偶联因子氧化磷酸化光合磷酸化线粒体DNA半自主性二、简答题与论述题1、怎样理解线粒体和叶绿体是细胞能量转换的细胞器？2、线粒体和叶绿体在细胞内呈现怎样的动态特征？3、试比较线粒体与叶绿体在基本结构方面的异同。4、为什么说三羧酸循环是真核细胞能量代谢的中心？5、电子传递链与氧化磷酸化之间有何关系？6、试比较线粒体的氧化磷酸化与叶绿体的光合磷酸化的异同点。7、光系统中捕光复合物和反应中心复合物的结构与功能的关系如何？8、氧化